Ядерная физика: что это такое, кто ее открыл и почему это важно?

Несколько пасмурных дней в Париже 1896 года «испортили» эксперимент Анри Беккереля, но в результате родилась ядерная физика. Беккерель стремился доказать свою гипотезу о том, что уран поглощает солнечный свет и переизлучает его в виде рентгеновских лучей, что было обнаружено годом ранее.

План Беккереля состоял в том, чтобы вывести уранилсульфат калия на солнечный свет, а затем привести его в контакт. с фотопластинками, завернутыми в черную бумагу, потому что, хотя видимый свет не проходит, рентгеновские лучи было бы. Несмотря на отсутствие солнечного света, он все равно решил пройти через этот процесс и был шокирован, когда обнаружил изображения, все еще записанные на фотопластинке.

Дальнейшие испытания показали, что это вовсе не рентгеновские лучи, несмотря на его предположения. Путь света искривляется не магнитным полем, а излучение урана был отклонен одним, и это - наряду с первым результатом - так и было обнаружено излучение. Мария Кюри придумала термин радиоактивность и вместе со своим мужем Пьером открыла полоний и радий, установив точные источники радиоактивности.

Позже Эрнест Резерфорд придумал для излучаемого материала термины альфа-частицы, бета-частицы и гамма-частицы, а также поле ядерная физика действительно пошел.

Конечно, сейчас люди знают о ядерной физике намного больше, чем на рубеже 20-го века, и это важная тема, которую нужно понять и изучить для любого студента-физика. Если вы хотите понять природу ядерной энергии, сильных и слабых ядерных взаимодействий или внести свой вклад в такие области, как ядерная медицина, изучение основ очень важно.

Ядерная физика - это, по сути, физика ядра, части атома, содержащей два наиболее известных «Адроны», протоны и нейтроны.

В частности, рассматриваются силы, действующие в ядро (сильное взаимодействие, которое связывает протоны и нейтроны вместе в ядре, а также удерживает их компонент кварков вместе, и слабое взаимодействие, связанное с радиоактивным распадом), и взаимодействие ядер с другими частицы.

Ядерная физика охватывает такие темы, как ядерный синтез (который относится к энергии связи различных элементов), ядерное деление (которое расщепление тяжелых элементов для производства энергии), а также радиоактивный распад и основная структура и силы, действующие в ядро.

Есть много практических приложений в этой области, включая (но не ограничиваясь) работу в ядерной энергии, ядерной медицине и физике высоких энергий.

An атом состоит из ядра, которое содержит положительно заряженные протоны и незаряженные нейтроны, удерживаемые вместе сильной ядерной силой. Они окружены отрицательно заряженными электронами, которые образуют так называемое «облако» вокруг ядра, а количество электронов соответствует количеству протонов в нейтральном атоме.

На протяжении всей истории физики предлагалось множество моделей атома, в том числе модель Томсона. пудинга »,« планетарной »модели Резерфорда и Бора и современной квантово-механической модели, описанной выше.

Ядро крошечное, около 10⁻¹⁵ м, содержащий основную массу атома, в то время как весь атом имеет порядок 10⁻¹⁰ м. Не позволяйте обозначениям вводить вас в заблуждение - это означает, что ядро ​​примерно в 100 000 раз меньше, чем атом в целом, но оно содержит большую часть вещества. Итак, атом преимущественно пустое место!

Однако масса атома не совсем такая же, как масса его составных частей: если сложить массы протонов и нейтронов, она уже превышает массу атома, прежде чем вы даже сможете учесть гораздо меньшую массу электрон.

Это называется «дефект массы» атома, и если вы конвертируете эту разницу в энергию, используя знаменитое уравнение Эйнштейна E = MC², вы получаете «энергию связи» ядра.

Это энергия, которую вы должны вложить в систему, чтобы разделить ядро ​​на составляющие его протоны и нейтроны. Эти энергии намного, намного больше, чем энергия, необходимая для удаления электрона с его «орбиты» вокруг ядра.

Два типа нуклон (то есть частица ядра) - это протон и нейтрон, и они тесно связаны вместе в ядре атома.

Хотя, как правило, это нуклоны, о которых вы слышите, на самом деле они не являются фундаментальными частицами в стандартной модели физики элементарных частиц. И протон, и нейтрон состоят из фундаментальных частиц, называемых кварки которые бывают шести «ароматов», и каждый несет часть заряда протона или электрона.

Вверх-кварк имеет 2/3 е заряд, где е - заряд электрона, а нижний кварк имеет −1/3 е заряжать. Это означает, что два верхних кварка и нижний кварк вместе дадут частицу с положительным зарядом величиной е, который является протоном. С другой стороны, верхний кварк и два нижних кварка создают частицу без полного заряда, нейтрон.

Стандартная модель каталогизирует все известные в настоящее время фундаментальные частицы и группирует их в две основные группы: фермионы и бозоны. Фермионы подразделяются на кварки (которые, в свою очередь, производят адроны, такие как протоны и нейтроны) и лептоны (которые включают электроны и нейтрино), и бозоны подразделяются на калибровочные и скалярные бозоны.

Бозон Хиггса - единственный известный скалярный бозон, наряду с другими бозонами - фотоном, глюоном и т. Д. Z-бозоны и W бозоны - калибровочные бозоны.

Фермионы, в отличие от бозонов, подчиняются «законам сохранения числа». Например, есть закон сохранения лептонного числа, который объясняет такие вещи, как частицы, образующиеся при ядерном распаде. процессы (потому что, например, создание электрона с лептонным числом 1 должно быть сбалансировано с созданием другой частицы с лептонным числом -1, такой как электронное антинейтрино).

Число кварков также сохраняется, есть и другие сохраняемые величины.

Бозоны - это частицы, несущие силу, поэтому взаимодействия элементарных частиц опосредуются бозонами. Например, взаимодействие кварков опосредуется глюонами, а электромагнитное взаимодействие опосредуется фотонами.

Хотя электромагнитная сила действительно действует в ядре, основные силы, которые вам нужно учитывать, - это сильные и слабые ядерные взаимодействия. Сильное ядерное взаимодействие переносится глюонами, а слабое ядерное взаимодействие переносится W^± и Z⁰ бозоны.

Как следует из названия, сильное ядерное взаимодействие является самым сильным из всех фундаментальных сил, за которым следует электромагнетизм (10² раз слабее), слабая сила (10⁶ раз слабее) и гравитации (10⁴⁰ раз слабее). Огромная разница между гравитацией и остальными силами заключается в том, почему физики по существу пренебрегают ею, обсуждая материю на атомном уровне.

Сильная сила потребности быть сильным, чтобы преодолеть электромагнитное отталкивание между положительно заряженными протонами в ядре - если бы оно слабее, чем электромагнитная сила, ни один атом с более чем одним протоном в ядре не смог бы форма. Однако сильная сила имеет очень на короткие расстояния.

Это важно, потому что показывает, почему сила незаметна даже в масштабе целых атомов или молекул, но это также означает, что электромагнитное отталкивание становится более актуальным для тяжелых ядер (т.е. атомы большего размера). Это одна из причин, по которой нестабильные ядра часто являются ядрами тяжелых элементов.

Слабое взаимодействие также имеет очень малый радиус действия и по существу заставляет кварки менять аромат. Это может привести к превращению протона в нейтрон и наоборот, поэтому его можно рассматривать как причину ядерный распад такие процессы, как бета-плюс и минус распад.

Есть три типа радиоактивного распада: альфа-распад, бета-распад и гамма-распад. Альфа-распад - это когда атом распадается, высвобождая «альфа-частицу», что является другим термином для ядра гелия.

Есть три подтипа бета-распада, но все они включают превращение протона в нейтрон или наоборот. Бета-минус-распад - это когда нейтрон становится протоном и в процессе высвобождает электрон и электронное антинейтрино, в то время как в бета-плюс-распаде протон становится нейтроном и высвобождает позитрон (т.е. антиэлектрон) и электрон нейтрино.

При захвате электрона электрон из внешних частей атома поглощается ядром, протон превращается в нейтрон, и нейтрино выделяется из процесса.

Гамма-распад - это распад, при котором выделяется энергия, но в атоме ничего не меняется. Это аналогично тому, как фотон высвобождается, когда электрон переходит из состояния с высокой энергией в состояние с низкой энергией. Возбужденное ядро ​​переходит в низкоэнергетическое состояние и при этом испускает гамма-лучи.

Термоядерная реакция это когда два ядра сливаются и образуют более тяжелое ядро. Таким образом вырабатывается энергия на Солнце, и обеспечение того, чтобы этот процесс происходил на Земле для выработки энергии, является одной из самых больших целей экспериментальной физики.

Проблема в том, что для этого требуются чрезвычайно высокие температуры и давления, а, следовательно, очень высокие уровни энергии. Однако, если ученые достигнут этого, синтез может стать жизненно важным источником энергии, поскольку общество продолжает расти и мы потребляем все больше энергии.

Ядерное деление представляет собой расщепление тяжелого элемента на два более легких ядра, и это то, что приводит в действие нынешнее поколение ядерных реакторов.

Деление также является принципом действия ядерного оружия, что является одной из главных причин, по которым это противоречивое направление. На практике деление происходит через серию цепных реакций. Нейтрон, который создает начальное расщепление в тяжелом элементе, таком как уран, после реакции генерирует еще один свободный нейтрон, который затем может вызвать новое расщепление и так далее.

По сути, оба эти процесса получают энергию за счет E = MC² связь, поскольку сплавление или расщепление атомов влечет за собой высвобождение энергии из «недостающей массы».

Существует огромный спектр приложений ядерной физики. Примечательно, что ядерные реакторы и атомные электростанции эксплуатируются во многих странах мира, и многие физики работают над новыми и более безопасными конструкциями.

Например, некоторые конструкции ядерных реакторов направлены на то, чтобы исходный материал нельзя было использовать для создать ядерное оружие, для которого требуется гораздо более обогащенный источник урана (т.е. «более чистый» уран). работать.

Ядерная медицина - еще одна важная область ядерной физики. В ядерной медицине пациенту вводят очень небольшое количество радиоактивного материала, а затем используются детекторы для захвата изображений испускаемого излучения. Это помогает врачам диагностировать заболевания почек, щитовидной железы, сердца и другие заболевания.

Конечно, есть много других областей, в которых ядерная физика существенно важна, включая физику высоких энергий и физику элементарных частиц. ускорителей, таких как ЦЕРН, и астрофизики, где многие из доминирующих процессов в звездах сильно зависят от ядерных физика.